郭根材，張軍鋒，潘 躍，李天翼

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081)

作業(yè)妨礙是影響車站能力利用效率的重要因素，詳細分析高速鐵路車站作業(yè)的妨礙程度對準確計算車站能力利用率及通過能力具有重要意義。目前計算高速鐵路車站通過能力常用的方法主要有圖解法、利用率法、計算機仿真法、數(shù)據(jù)模型法、迭代加密法等。劉敏等[1]結合計算機仿真提出高速鐵路車站理論能力、實際能力、可用能力的計算方法；魏然[2]分析了盡頭式車站的接發(fā)車能力，提出能力最大的站型布置方案；陳韜等[3]以各方向接發(fā)列車最多為目標，構建高速鐵路客運站高峰時段最大通過能力模型與啟發(fā)式求解算法；顏穎等[4]基于周期化作業(yè)思路，建立了周期化車站通過能力運用模型，確定通過能力最大的車站作業(yè)方案；熊亞等[5]建立了考慮進路分段解鎖的高速鐵路車站作業(yè)方案優(yōu)化模型，通過不斷迭代加密獲得高峰時段的車站通過能力。這些研究為準確計算車站通過能力提供了基礎理論。結合高速鐵路車站能力計算方法[6]，通過分析高速鐵路車站作業(yè)妨礙影響因素，提出了車站作業(yè)妨礙的判別流程，以及考慮作業(yè)妨礙的車站通過能力利用率計算方法，并以2021 年第三季度列車運行圖為對象，計算分析了上海虹橋高速場的作業(yè)妨礙程度及能力利用率。

1 車站作業(yè)妨礙的定義及影響因素分析

1.1 車站作業(yè)妨礙的定義

車站作業(yè)妨礙是指車站某一設備在一段時間內雖然沒有被安排接發(fā)車作業(yè)，但由于列車進路相互耦合，車站現(xiàn)有的作業(yè)內容導致該設備不能被安排其他作業(yè)的現(xiàn)象。例如，道岔雖然沒有被占用，但由于途經該道岔的所有進路均不能辦理，則該道岔處于作業(yè)妨礙狀態(tài)；到發(fā)線雖然沒有被占用，但兩端咽喉均不能辦理該到發(fā)線的接車作業(yè)，則該到發(fā)線處于作業(yè)妨礙狀態(tài)。因此，車站設備的作業(yè)狀態(tài)可以劃分為占用、妨礙、空閑3 種。

1.2 車站作業(yè)妨礙影響因素分析

車站作業(yè)妨礙的嚴重程度受站場布置形式、車站間隔時間、作業(yè)類型及構成等影響。

（1）站場布置形式。車站平面布置形式，特別是動車段/所的引入方式、咽喉道岔布置形式等，影響高速鐵路車站作業(yè)的妨礙程度，咽喉結構越合理、平行作業(yè)進路越多，妨礙程度越低，車站的接發(fā)車能力也越大；咽喉長度過長時，會增加列車進出站距離，在道岔限速條件下會加大作業(yè)妨礙時長，并且影響車站通過能力。

（2）車站間隔時間。車站間隔時間規(guī)定了車站辦理各項作業(yè)的最小間隔，不同車站的間隔時間受站場布置和設備配置影響有所差異，車站出發(fā)、到達、到發(fā)、發(fā)到等間隔時間決定了設備的作業(yè)妨礙時長。

（3）車站作業(yè)類型及構成。高速鐵路車站作業(yè)類型主要包括出庫始發(fā)、終到入庫、本線折返、轉線折返、停站通過等，由于各項作業(yè)的作業(yè)時長、作業(yè)進路間的耦合性差異大，車站銜接各方向接發(fā)列車的比例、順序、接發(fā)車進路及接入股道均會影響車站作業(yè)妨礙程度。一般情況下，大型通過式車站的2 個咽喉分別辦理2 個方向的始發(fā)終到作業(yè)，其中一個咽喉還連通動車段/所并承擔出入庫作業(yè)，列車接發(fā)車作業(yè)、動車組出入庫作業(yè)之間存在作業(yè)妨礙。

1.3 車站作業(yè)妨礙類型

按照作業(yè)類型，高速鐵路車站的作業(yè)妨礙可以分為接發(fā)列車間的作業(yè)妨礙、接發(fā)列車與出入庫間的作業(yè)妨礙2 類。

（1）接發(fā)列車間的作業(yè)妨礙。同側咽喉的列車接車進路與發(fā)車進路可能存在重合，反方向發(fā)車時會妨礙部分到發(fā)線的接車作業(yè)；反方向接車時，會影響部分到發(fā)線的發(fā)車作業(yè)。對于通過式車場，兩端咽喉連通相同到發(fā)線，兩端咽喉不能同時接入相同到發(fā)線，導致兩端咽喉的接車作業(yè)也存在妨礙。

（2）接發(fā)列車與出入庫間的作業(yè)妨礙。早高峰時段由于動車組集中始發(fā)，車站到發(fā)線的存車能力一般要小于始發(fā)列車數(shù)量，在辦理完列車始發(fā)作業(yè)后，空閑到發(fā)線要及時安排動車組出庫，造成發(fā)車作業(yè)與動車組出庫作業(yè)沖突；同理，晚高峰時段列車終到作業(yè)結束后，要及時安排動車組入庫以方便接入后續(xù)終到列車，造成入庫作業(yè)與接車作業(yè)的沖突。

2 高速鐵路車站作業(yè)妨礙時長計算

2.1 車站作業(yè)妨礙時長計算流程

作業(yè)妨礙時間是影響設備能力利用率的重要因素，明確作業(yè)妨礙時長有助于提高車站能力利用率的計算精度。車站作業(yè)妨礙時長可以結合作業(yè)仿真方法統(tǒng)計計算，根據(jù)車站作業(yè)內容確定未被占用設備及可行作業(yè)進路，判別無法辦理車站作業(yè)的設備，即處于妨礙狀態(tài)的設備，從而統(tǒng)計得到各項設備的作業(yè)妨礙時長。仿真流程如下。

步驟1：根據(jù)列車運行圖將車站作業(yè)按照開始時間排序，確定各項作業(yè)的開始時間、結束時間以及占用的股道、進路、道岔等設備，并開始作業(yè)仿真。

步驟2：更新仿真步長及車站當前作業(yè)集合，在車站當前作業(yè)集合中加入新開始的作業(yè)內容、移除已結束的作業(yè)內容。

步驟3：根據(jù)車站當前作業(yè)集合，確定已占用的進路、股道、道岔集合，判別未被占用的股道、道岔集合，記錄各股道、道岔的占用信息。

步驟4：在未被占用的股道、道岔集合中，搜索可行作業(yè)進路，確定可以辦理作業(yè)進路的股道、道岔集合；剩余不可被使用的股道、道岔即處于妨礙狀態(tài)，記錄各股道、道岔的妨礙信息。

步驟5：如果仿真時間滿足車站運營結束條件，結束仿真，并根據(jù)各股道、道岔的妨礙信息統(tǒng)計各項設備的妨礙時長；否則返回步驟2，執(zhí)行下一個仿真步長。

2.2 車站作業(yè)時間估算

根據(jù)車站作業(yè)妨礙時長計算流程，車站接發(fā)車作業(yè)時長是影響統(tǒng)計分析股道、道岔妨礙狀態(tài)及妨礙時長的關鍵因素。根據(jù)《調度集中系統(tǒng)技術條件》，調度集中系統(tǒng)在滿足時間觸發(fā)條件或地點觸發(fā)條件時可以自動排列接車(通過)進路，CTCS-3 級區(qū)段動車組列車可提前9 min或15個閉塞分區(qū)辦理[7]，導致實際運營中接發(fā)車作業(yè)時長一般會大于車站間隔時間，根據(jù)車站實際作業(yè)時間計算的能力利用率會偏高。根據(jù)《高速鐵路列車間隔時間查定辦法》[8]中車站間隔時間的計算原理計算理想條件下接發(fā)車作業(yè)時間相對會更合理。

（1）理想接車作業(yè)時間估算。在目標距離連續(xù)式一次控車模式下，理想接車作業(yè)時間為控車曲線目標點到達接車方向最近的閉塞分區(qū)時進站信號應辦理好，即控車曲線預留1 個閉塞分區(qū)保障列車不緊急制動進站。列車接車作業(yè)過程示意圖如圖1 所示。

圖1 列車接車作業(yè)過程示意圖Fig.1 Operation process of train reception

根據(jù)上述原理，理想接車作業(yè)時間t接可以根據(jù)公式 ⑴ 計算。按照該方法計算的理想接車作業(yè)時間略大于列車到達追蹤間隔時間。

式中：L作業(yè)為辦理作業(yè)時換算的列車行駛距離，m；L制動為列車緊急制動距離，m；L防為防護距離，m；L閉為第一閉塞分區(qū)長度，m；L咽喉為咽喉長度，m；L列為列車長度，m；v到達為列車平均進站速度，km/h。

（2）理想發(fā)車作業(yè)時間估算。理想發(fā)車作業(yè)時間為前行列車尾部通過第一個閉塞分區(qū)后辦理后行列車的發(fā)車進路，列車發(fā)車作業(yè)過程示意圖如圖2所示。

圖2 列車發(fā)車作業(yè)過程示意圖Fig.2 Operation process of train departure

根據(jù)上述原理，理想的發(fā)車作業(yè)時間t發(fā)可以根據(jù)公式 ⑵ 計算。理想發(fā)車作業(yè)時間與列車出發(fā)追蹤間隔時間相同。

式中：L作業(yè)為辦理作業(yè)時換算的列車行駛距離，m；L閉為出站閉塞分區(qū)長度，m；L列為列車長度，m；v出發(fā)為列車平均出站速度，km/h。

（3）理想通過作業(yè)時間估算。根據(jù)《調度集中系統(tǒng)技術條件》，調度集中系統(tǒng)對于通過列車可以一次性辦理通過進路[8]。理想通過作業(yè)時間點為控車曲線目標點在到達接車方向最近的閉塞分區(qū)時辦理好進站信號。按照一次性辦理通過進路方式，列車通過作業(yè)過程示意圖如圖3 所示。理想通過作業(yè)時間略大于車站列車通過追蹤間隔時間。

圖3 列車通過作業(yè)過程示意圖Fig.3 Operation process of train passing

根據(jù)上述原理，理想通過作業(yè)時間t通可以根據(jù)公式 ⑶ 計算。

式中：L作業(yè)為辦理作業(yè)時換算的列車行駛距離，m；L制動為列車緊急制動距離，m；L防為防護距離，m；L閉1為進站方向第一個閉塞分區(qū)的長度，m；L車站為車站進站信號機至出站信號機的距離，m；L閉為出站閉塞分區(qū)長度，m；L列為列車長度，m；v通過為列車運行速度，km/h。

3 考慮作業(yè)妨礙的車站通過能力利用率計算

充分考慮車站到發(fā)線、道岔的作業(yè)占用時間及妨礙時間可以提高車站通過能力利用率的計算準確度。

（1）到發(fā)線作業(yè)時間。列車占用到發(fā)線時間可根據(jù)接車、發(fā)車作業(yè)時間匯總計算，到發(fā)線的實際占用時間為辦理列車到達進路時起至出發(fā)進路解鎖時止。考慮作業(yè)妨礙的到發(fā)線作業(yè)時間可以根據(jù)公式 ⑷ 計算。

（2）道岔作業(yè)時間。道岔實際占用時間與作業(yè)內容有關，可累計統(tǒng)計各項作業(yè)的占用時間?？紤]作業(yè)妨礙的道岔作業(yè)時間可根據(jù)公式⑺計算。

式中：t接為列車接車作業(yè)時間，s；t發(fā)為列車發(fā)車作業(yè)時間，s；t通為列車通過作業(yè)時間，s；為道岔的作業(yè)妨礙時間，s。

（3）能力利用率計算。車站能力利用率可分別計算咽喉、到發(fā)線的能力利用率。車站咽喉通過能力由咽喉區(qū)負荷最大的道岔組能力決定，咽喉道岔組的能力利用率按接發(fā)車進路上利用率最高的道岔組計算。咽喉道岔與到發(fā)線的能力利用率K可以根據(jù)公式⑻計算。

式中：T作業(yè)為道岔或到發(fā)線的作業(yè)時間，包含設備實際占用時間和作業(yè)妨礙時間，min；T為車站作業(yè)周期，min，一般按一天計算，取1 440 min；T固為車站固定作業(yè)時間，min，一般為綜合維修天窗時長，取360 min。

4 案例研究

4.1 案例介紹

以2021 年第三季度列車運行圖為對象，綜合列車時刻表、動車組交路、股道運用方案等數(shù)據(jù)，計算分析上海虹橋高速場的作業(yè)妨礙特征及能力利用率。上海虹橋高速場連接京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)、滬杭高速鐵路(上海虹橋—杭州東)2 條線路，北側咽喉同時連接上海虹橋動車所，到發(fā)線19 條，其中2 條為正線。上海虹橋高速場平面布置如圖4 所示[9]。

圖4 上海虹橋高速場平面布置Fig.4 Layout of Shanghai Hongqiao high speed yard

上海虹橋站的作業(yè)內容主要包括動車組出入庫、列車始發(fā)終到、折返、停站、通過等作業(yè)，上海虹橋高速場作業(yè)構成如表1 所示。

表1 上海虹橋高速場作業(yè)構成 列/ d Tab.1 Operation compositions of Shanghai Hongqiao high speed yard

4.2 作業(yè)妨礙分析

根據(jù)2.1 節(jié)提出車站作業(yè)妨礙時長計算流程，統(tǒng)計上海虹橋高速場各道岔、到發(fā)線的作業(yè)妨礙時長。列車接車作業(yè)、發(fā)車作業(yè)時間按照4 min 統(tǒng)計，其中發(fā)車作業(yè)由1 min 的發(fā)車作業(yè)進路辦理準備時間和3 min 的作業(yè)進路占用與解鎖時間組成。根據(jù)統(tǒng)計結果，上海虹橋高速場道岔的日均妨礙時間為164.6 min，占運營時間的15.2%；到發(fā)線的日均妨礙時間為59.2 min，占運營時間的5.5%，咽喉道岔的作業(yè)妨礙程度要高于到發(fā)線。上海虹橋高速場接發(fā)車作業(yè)妨礙時間占比分布如圖5 所示，顯示了上海虹橋高速場道岔及到發(fā)線每小時的作業(yè)妨礙時長比例，可以看出道岔在15:00 的作業(yè)妨礙程度最高，比例達到21.8%；到發(fā)線在15:00 的作業(yè)妨礙程度最高，比例達到9.6%。

圖5 上海虹橋高速場接發(fā)車作業(yè)妨礙時間占比分布Fig.5 Obstruction time distribution of train reception and departure in Shanghai Hongqiao high speed yard

4.3 能力利用率計算分析

統(tǒng)計各項設備的作業(yè)時間，結合妨礙時間計算分析上海虹橋高速場道岔與到發(fā)線的能力利用率。不考慮空費的上海虹橋高速場咽喉道岔日均利用率為38.1%，到發(fā)線日均利用率為56.3%；道岔和到發(fā)線在19:00 的利用率最高，分別達到51.4%，72%。上海虹橋高速場能力利用分布如圖6 所示。

圖6 上海虹橋高速場能力利用分布Fig.6 Capacity utilization distribution of Shanghai Hongqiao high speed yard

分析各道岔組的利用率，發(fā)現(xiàn)上海虹橋高速場北側咽喉(黃渡線路所方向)的能力限制道岔組為103/109/117，日均利用率為50.8%，高峰時段達到83.3%；南側咽喉(七寶線路所方向)的能力限制道岔組為108/110/114，日均利用率為60.7%，高峰時段達到76.7%。從上述分析可以看出，上海虹橋高速場高峰時段的咽喉能力比較緊張，上海虹橋高速場瓶頸道岔組能力利用分布如圖7所示。

圖7 上海虹橋高速場瓶頸道岔組能力利用分布Fig.7 Capacity utilization distribution of bottleneck turnout in Shanghai Hongqiao high speed yard

4.4 上海虹橋高速場能力利用優(yōu)化建議

調整車站作業(yè)方案可以降低上海虹橋高速場的作業(yè)妨礙度，提高接發(fā)車能力，主要建議有以下幾點。

（1）統(tǒng)籌優(yōu)化京滬高速鐵路、滬杭高速鐵路動車組交路，減少由于動車組列車立折導致的作業(yè)沖突。將一部分南京南方向終到上海虹橋立折交路的后續(xù)列車調整為杭州東方向，或者延長列車運行區(qū)段至杭州東，減少上海虹橋兩端咽喉的正接反發(fā)、反接正發(fā)的作業(yè)比例，降低接發(fā)車作業(yè)干擾。

（2）充分利用平行進路，提高車站平行進路的作業(yè)比例。上海虹橋高速場列車進路可以安排南京南方向1 道至6道接車時，7 道至9 道發(fā)車；安排11 道至14 道接車時，15 道至19 道發(fā)車，充分利用平行進路接發(fā)列車。

（3）協(xié)調編制上海虹橋高速場兩端咽喉的作業(yè)計劃。調整兩端咽喉的作業(yè)方案，早晚高峰時段優(yōu)先辦理南側咽喉的接發(fā)車作業(yè)，午高峰時段優(yōu)先辦理北側咽喉的接發(fā)車作業(yè)，實現(xiàn)兩端咽喉能力均衡利用。

5 結束語

車站作業(yè)妨礙影響高速鐵路車站能力的利用效率。通過分析高速鐵路車站作業(yè)妨礙影響因素及類型，結合計算機仿真方法設計了一套車站作業(yè)妨礙狀態(tài)及時長判別流程，以及考慮作業(yè)妨礙時長的車站能力利用率計算方法，并實例計算分析了上海虹橋高速場的作業(yè)妨礙特征及能力利用率。研究計算車站進路占用時間的單位為分，后續(xù)研究可將占用時間的單位調整為秒，進一步提高車站能力利用率的計算準確度。